舞蹈機器人步進電機驅動電路和程序設計

在中國科大首屆機器人舞蹈比賽中（中央10臺節目轉播）,我們用一個單片機控制多個步進電機指揮跳舞機器人 的雙肩、雙肘和雙腳伴著音樂做出各種協調舒緩充滿感情的動作,榮獲一等獎。電路采用74373鎖存,74LS244和ULN2003作電壓和電流驅動,單 片機（Atc52）作脈沖序列信號發生器。程序設計基于中斷服務和總線分時利用方式,實時更新各個電機的速度、方向。整個舞蹈由運動數據所決定的一截截動 作無縫連接而成。

1 步進電機簡介

步進電機根據內部線圈個數不同分為二相制、三相制、四相制等。本文以四相制為例介紹其內部結構。圖1為四相五線制步進電機內部結構示意圖。

2 四相五線制步進電機的驅動電路

電路主要由單片機工作外圍電路、信號鎖存和放大電路組成。我們利用了單片機的I/O端口,通過74373鎖 存,由74LS244驅動,ULN2003對信號進行放大。8個電機共用4bit I/O端口作為數據總線,向電機傳送步進脈沖。每個電機分配1bit的I/O端口用作74373鎖存信號,鎖存步進電機四相脈沖,經ULN2003放大到 12V驅動電機運轉。

電路原理圖（部分）如圖2所示。

（1）Intel 8051系列單片機是一種8位的嵌入式控制器,可尋址64K字節,共有32個可編程雙向I/O口,分別稱為P0～P3。該系列單片機上集成8K的ROM,128字節RAM可供使用。

（2）74LS244為三態控制芯片,目的是使單片機足以驅動ULN2003。ULN2003是常用的達林頓管陣列,工作電壓是12V,可以提供足夠的電流以驅動步進電機。關于這些芯片的詳細介紹可參見它們各自的數據手冊。

（3）74373是電平控制鎖存器,它可使多個步進電機共用一組數據總線。我們用P1.0～P1.7作為8個電機的鎖存信號輸出端,見表1。

這是一種基于總線分時復用的方式,以動態掃描的方式來發送控制信號,這和高級操作系統里的多任務進程調度的思想一致。這種方法明顯的好處是節省I/O口,使系統可以控制更多的步進電機。本電路設計為控制8個。

3 程序設計

傳統的步進電機驅動程序利用簡單的條件循環來發送脈沖序列,但當電機數目發生變化時,編程繁雜,冗余代碼較 多,難以做到信號占空比一致,進而產生“抖動”現象。下面提出一種基于中斷服務方式,面向舞蹈動作,可實時改變各個電機速度和方向（每200ms可改變一 次）的程序設計方法。

3．1 速度歸一化和線性關系

我們將速度量化成一個-128～127內可變的數,正號代表正轉,負號代表返轉,稱之歸一化速度 （-128～127為一個字節）。給每個電機分配一個速度累加計數器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7分別代表8個電機),初始值 為0,每個中斷觸發周期內給該累加計數器加上從舞步信息數組dancedata中讀取的速度值speeds[i],當計數器值大于或等于預設的閾值 MAX_SPEED_TICKER=600時,則發送脈沖序列中的下一個（正轉）或上一個（反轉）給步進電機,這取決于速度的符號（參考3.2節）。同 時,將該電機的累加計數器speed_tickers[i]恢復為0。給出的速度值speed[i]越大,則累加達到或超過閾值 MAX_SPEED_TICKER的時間就越短,那么向步進電機發送脈沖的頻率就越高,速度也就越快。

歸一化速度值設為num（-128～127）,電機實際旋轉速度設為V,那么V和num之間滿足關系式：

（1）當num是閾值600的約數時,

其中,[x]代表不超過x的最大整數。

（3）V₀是一個速度常數,即當歸一化速度值num=120的時候對應的電機實際速度。

（4）num和速度V近似線性關系,V∝num。正是因為有了這種函數關系,我們在舞蹈動作控制中,可以輕松實現速度在大范圍內變化。

3．2 速度正負實現方式

（1）在程序中,數組steps[8]用于存放步進電機的脈沖序列。

（2）設置指針cur_step[8]指向8個電機當前處在脈沖序列step[8]中的位置。
易知：0=step[i]=7,其中,i分別代表8個電機。

（3）設置指針移動變量delta=0。delta=1,指針向后移動一步,電機正轉;delta=-1,指針向前移動一步,電機反轉;delta=0,指針不移動,電機不發生轉動。

3.3 程序具體步驟

3.3.1初始化計時器InitTimer,然后空循環,進入等中斷階段。

3.3.2 中斷觸發后,程序進入服務程序。

(1)執行函數SetAllSpeeds,函數根據提供的速度值speed[i]依次判斷是否給各個電機發送脈沖,實現電機以特定的速度和方向旋轉。SetAllSpeeds具體算法流程見圖3。

(2)從定義的數組dancedata中讀取新的速度信息,每200ms一次。

(3)將系統在調用中斷處理函數時關閉的計時器重新打開InitTimer。

(4)中斷處理函數結束返回。

注意：第一,(1)和(2)不可交換,這是為了保證步進電機每步延時的均勻性;第二,內部中斷間隔時間 1ms內,8051是否能夠將中斷服務程序中所有的代碼執行完全?答案是肯定的。參考圖4,我們對整個中斷服務程序進行了統計,它所要執行的指令數在 200～300之間變化,時鐘間隔設置為1ms,選用12MHz晶振,執行這些指令需要耗時約500～600μs1ms,因此,中斷處理完全可以在一個計時器周期內執行完畢。

3.4 舞蹈編排

在舞蹈編排中,我們面向的是動作,因此,必須關心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中,舞步信息數組格式如下：

每組數據含有8個字節,分別代表8個電機的歸一化速度num,這點在3.1節中已經做了詳細分析。程序每200ms讀一次數據,換句話說,每組數據的有效期只有200ms。我們分析表2一組數據代表的含義。

(1)組數為25,這隱含了動作的時間信息。因為每組數據的有效期為200ms,所以,25組數據的執行時間為：200ms×25=5000ms

(2)左腳和右腳(輪式)的歸一化速度相等,方向相反。根據公式(1)可以知道

V=0.5×V0

所以,機器人以0.5V0的速度原地轉圈5000ms。

(3)其它關節的歸一化速度num=0,說明其它關節均無動作。

3.5 可視化輔助程序簡介

我們發現一個簡單的動作競需要5組數據,5分鐘的舞蹈需要

組數據(需占用1.5K存儲空間,AT89C52足夠)。如果人工填寫這些數據,將十分困難。因此在實際的運用中,我們用C+Builder編寫了機器人模擬程序,采用圖形界面,預一化速度和時間信息,寫入data.h,只要將其作為頭文件,電機驅動程序將自動讀取。

4 電路和程序特點總結

(1)一塊單片機控制多個步進電機,總線分時復用。

(2)程序基于中斷服務,電機工作穩定可靠。

(3)提出歸一化速度,實現了速度V大范圍可變。

(4)數據更新每200ms一次,可以輕松控制各個電機實時加速、減速、爆發,從而使舞蹈更人性化、感情化。這也正是我們允許數據量大的原因。

(5)輔助程序實現編程可視化。

文末是中國科大首屆機器人舞蹈比賽中用到的程序實例。

參考文獻

1 顧天柱,陳巳康.C51交叉編譯系統.上海：復旦大學出版社,1990,8

2 胡漢才.單片機原理及系統設計.北京：清華大學出版社,2002